电子工程设计吴飞翔组DCDC电源

1、降压型DC/DC开关电源的研究与设计指导老师 路纲组员 吴飞翔B12040721 康 健 B12040710 王双奇 B12040709 乔蒙恩B12040708摘 要： 随着开关电源技术的迅速发展，DC/DC开关电源已在通信、计算机以及消费类电子产品等领域得到了广泛应用。近年来，电池供电便携式设备的需求越来越大，对DC/DC开关电源的需求也日益增大，同时对其性能要求也是越来越高。本文设计了一款降压型DC/DC开关电源电路。详细的分析和阐述了降压型转换器的电路拓扑和工作原理，根据系统性能设计了电路的整体框图。关键词：开关电源；降压型；DC/DC转换1.1本论文主要工作目的本论文做的是一种降压型

2、DC/DC电源的设计与研究。由系统性能研究开始，设计各模块电路。利用在DXP下对原理图连线并制作PCB。基于以上的讨论分析，结合降压式DC/DC开关电源的实际应用，在本设计中首先设定了如下的设计目标： （1)电源电压输入为15（范围为7-40V）。 （2)输出电压为8V左右最终将完成所有功能单元电路以及整体电路的设计，完成部分电路的版图设计和验证。为完成以上设计目标，建立的设计环境如下：在硬件方面：一台工作在WindowsXP环境下的PC机。在软件方面：电路设计工具是Protel DXP设计工具；本论文主要介绍了电源管理的概念、开关电源的发展以及应用前景；对开关电源的工作原理进行了详细的介绍，

3、作为后续的设计的理论基础；对降压式DC/DC开关电源整体电路结构进行设计，对整体电路进行实物制作和测量。1.2DCDC降压电源工作原理压电路是BUCK电路，开关S闭合的时候，VD二极管承受负压关断，电感充电，电流正向流动，电流值呈现指数上升趋势。开关S断开的时候，VD二极管起续流作用，电感开始放电，电流逐渐下降，通过负载和二极管回到电感另外一端，短暂供电。这样电压就能降低。实际使用的时候，S开关是通过MOSFET或者IGBT实现的，输出电压等于输入电压乘以PWM波的占空比1.3光耦的作用 开关电源的光耦主要是隔离、提供反馈信号和开关作用。开关电源电路中光耦的电源是从高频变压器次级电压提供的，当

4、输出电压低于稳压管稳压管电压是给信号光耦接通，加大占空比，使得输出电压升高：反之则关断光耦减小占空比，使得输出电压降低。我们的降压电源就采用第二种。光耦通常与TL431一起使用。它的作用概括如下：1隔离，把进线220V的强电和电路板电路隔离开来，也就是常说的“冷底板”2同时把后面工作电路中变化的电压信号通过光耦的原端发光二极管转变成光信号照射到次端的光敏二极管从而改变光敏二极管的电阻，在通过这个电阻的变化去控制开关电源，完成了隔离和反馈控制的作用。下面是我们所用的光耦PC817的介绍： pc817是常用的线性光藕，广泛用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇

5、，加热器等电路之间的信号传输，常常在各种要求比较精密的功能电路中被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。特点：电流传输比 (CTR:MIN.50%atIF=5mA,VCE=5V)高隔离电压:5000V有效值紧凑型双列直插封装 公认的UL认证，档案编号E64380 AbsoluteMaximumRatingsPC817光耦绝对最大额定值 当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了"电-光-电"的转换。普通光电耦合器只能

6、传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。1.4芯片uc3843的作用 UC3842 、UC3843 是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。 

7、;   其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。    UC3842A 有16V（通）和10 伏（断）低压锁定门限，十分适合于离线变换器。UC3843A是专为低压应用设计的，低压锁定门限为8.5伏（通）和7.6V（断）。特点: 微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比. 电流模式工作到500KHZ 自动前馈补偿 锁存脉宽调制，可逐周限流 内部微调的参考电压，带欠压锁定 大电流图腾柱输出 欠

8、压锁定，带滞后 低启动和工作电流 直接与安森美半导体的SENSEFET产品接口引脚图引脚功能引脚功能说明8管脚14管脚11补偿该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。23电压反馈该管脚是误差放大器的反相输入端，通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出。35电流取样一个正比于电感器电流的电压接至此输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通。47RT/CT通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调。工作频率可达500kHz 。5 -地该管脚是控制电路和电源的公共地（仅对8管脚封装如此）610输出该输出直接驱动功率MO

9、SFET的栅极，高达1.OA 的峰值电流经此管脚拉和灌。712VCC该管脚是控制集成电路的正电源。814Vref该管脚为参考输出，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流。我们本次用的是八管脚的芯片。1.5.TL431的介绍 TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。 特点： 可编程输出电压为36V  电压参考误差：±

10、0.4 ，典型值25（TL431B）   低动态输出阻抗，典型0.22   负载电流能力1.0mA to 100mA  等效全范围温度系数50 ppm/典型   温度补偿操作全额定工作温度范围  低输出噪声电压1.6.BUCK变换器的介绍Buck型开关电源将输入电压Vin变换成0VoVin的稳定输出电压Vo，所以又称降压开关电源。图7（a）是Buck开关电源的主电路图：Vin为输入电源，通常为电池或电池组。Mp是主开关管，因其

11、源端接电源Vin，适宜选用低电平导通的PMOS管。二极管D是辅助开关管，也称为整流管，一般使用具有较低正向导通电压的肖特基二极管。Vp是Mp的栅极控制信号，由控制电路提供，Ro表示负载电阻。在一个开关周期中，电路工作在两阶段下：第一阶段：在控制电路作用下，Mp导通，x点高电位，二极管因受反向偏压而截止，电流由输入电压流经Mp、电感L到电容C和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段：控制电路使Mp截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生感生电动势使电流维持原来的流向，迫使x点电位降至比地电位还低一个二极管的正向导通压降，二极管D导通，为电感电流提

12、供通路，电流由电感L流向电容C和负载，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。在两种工作模式下，在负载Ro上都可得到脉动很小的直流电压Vo。根据电感中电流I在周期开始时是否从零开始，可分为电感电流连续工作模式（CCM）和电感电流不连续工作模式（DCM）。图8为在两种工作模式下的电路波形。设MOS管的导通占空比为，二极管的导通占空比为。如果新的周期在电感电流尚未降至零时开始，则系统工作在CCM，工作波形见图8(a)，此模式下有+=1。在第一阶段，开关闭合，电感电流上升；在第二阶段，开关断开，电感电流下降。当电感L较小，负载电阻较大，或者T较大时，将出现电感电流下降到零，下一周期却还没有开始的情况

13、。当下一周期开始时，电感电流从零开始线性增加。这种工作方式称电感电流不连续模式。其工作波形如图8（b）所示，此时，+1。可得： 2-2由于电容的充放电，输出电压会有纹波分量。当电感电流大于输出电流时，电容被充电；当电感电流小于输出电流时，电容对负载放电。一个开关周期内，电容元件存储的电荷变化量为： 2-3将代入上式，可得纹波电压计算公式： 2-4在式2-4中，若给定纹波电压的指标，根据公式可估算出为满足纹波指标所需要的最小电容值C。1.7电感的计算 电压、电源开关频率、最大纹波电流、占空比。下面以图2为例说明降压型开关电源电感值的计算，首先假设开关频率为300kHz、输入电压范围12V

14、7;10%、输出电流为1A、最大纹波电流300mA。 最大输入电压值为13.2V，对应的占空比为：   DVo/Vi5/13.20.379 (3)   其中，Vo为输出电压、Vi为输出电压。当开关管导通时，电感器上的电压为：   VViVo8.2V (4)   当开关管关断时，电感器上的电压为： V-VoVd-5.3V (5)   dtD/F (6)   把公式2/3

15、/6代入公式2得出：我们就可以根据这个算出我们所需要的电感。1.8原理图以及PCB图以及波形图和实物图原理图PCB图波形图实物图1.9数据记录输入电压（V）输入电流(A)输出电压(V)输出电流(A)15.260.2947.890.38215.260.2637.910.40615.260.2917.930.45415.260.3157.910.49115.260.3417.900.53415.260.3807.900.5972.0数据处理效率=（输出电压×输出电流）÷（输入电压×输入电流）(7.89×0.382) ÷(15.26×0.294) ×100%=79.3%(7.91×0.406) ÷(15.26×0.263) ×100%=80.0%(7.93×0.454) ÷(15.26×0.291) ×100%=81.1%(7.91×0.491) ÷(15.26×0.315) ×100%=80.8%(7.90×0.534) ÷(15.26×0.341) ×100%=81.1%(7.90×0.597) ÷(15.26×0.